مبادئ تشغيل المُحوِّلات المتصلة بالشبكة
I. مبادئ التشغيل للمحوّلات المتصلة بالشبكة
المحوّلات المتصلة بالشبكة هي أجهزة تقوم بتحويل التيار الكهربائي المباشر (DC) إلى التيار الكهربائي المتردد (AC) وتستخدم على نطاق واسع في أنظمة توليد الطاقة الشمسية الضوئية (PV). تتضمن مبادئ التشغيل عدة جوانب:
عملية تحويل الطاقة:تحت ضوء الشمس، تقوم الألواح الضوئية بتوليد كهرباء مباشرة (DC). بالنسبة للمحوّلات الصغيرة والمتوسطة الحجم المتصلة بالشبكة، يتم استخدام بنية ثنائية المرحلة، حيث يتم تحويل الخرج الكهربائي المباشر من الألواح الضوئية أولاً عبر محول DC/DC لإجراء تحويل أولي، ثم عبر محول DC/AC لإنتاج كهرباء متناوبة. المحولات الكبيرة عادة ما تستخدم بنية مرحلة واحدة للتحويل المباشر. أثناء التشغيل، يتحكم المحول في الوحدة العاكس ثلاثي الطور عن طريق اكتشاف الجهد والتيار الكهربائي المباشر وجهد وتيار الشبكة الكهربائي المتناوب. يقوم النظام الرقمي للتحكم بإنتاج إشارات القيادة PWM (Pulse Width Modulation)، مما يجعل المحول ينتج كهرباء متناوبة تكون متناغمة في التردد والطور مع الشبكة. على سبيل المثال، عندما تدخل الكهرباء المباشرة من الألواح الضوئية إلى المحول المتصل بالشبكة، تمر أولاً عبر مستقيم (إذا كانت البنية الثنائية المرحلة تحتوي على وظيفة المستقيم)، مما يحول أي كهرباء متناوبة موجودة إلى كهرباء مباشرة، ثم عبر المكونات الإلكترونية لقسم المحول لتحويل الكهرباء المباشرة إلى كهرباء متناوبة، والتي يتم تزويدها في النهاية للأحمال المنزلية أو الصناعية أو تغذيتها في الشبكة.
المكونات الرئيسية ووظائفها:
المصحح: في بعض الهياكل، يُعد مسؤولاً عن تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر، مما يضمن أن يكون الإدخال للمكون العاكس التالي هو تيار مستمر.
المُعَكِّس: هذا هو المكون الأساسي، يستخدم العناصر الإلكترونية (مثل أجهزة الدوائر شبه الموصلية) لتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد.
وحدة التحكم: تتحكم في عملية التحويل بأكملها، بما في ذلك مراقبة الجهد والتيار الدخول والخروج، وتعديل إشارات القيادة PWM بناءً على هذه المعلمات لضمان أن يتوافق التيار المتردد الخرجي مع المعايير المطلوبة.
الطرف الخرجي: يقوم بإخراج التيار المتردد المحول إلى الشبكة أو الحمل.
II. العلاقة بين المعتقلات المتصلة بالشبكة والشبكة
نقل الطاقة والتداخل:الوظيفة الأساسية للمعتقل المتصل بالشبكة هي تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد والاتصال بالشبكة، مما يمكّن من نقل الطاقة. يمكنه تغذية الكهرباء التي تم توليدها بواسطة نظام الطاقة الشمسية الضوئية إلى الشبكة، مما يلبي احتياجات الطاقة للمستخدمين الآخرين. في هذا العملية، تعمل الشبكة كمركز تخزين وتوزيع كبير للطاقة، ويعد المعتقل المتصل بالشبكة جسراً يربط الطاقة الشمسية الموزعة بهذا المركز. على سبيل المثال، في مشاريع الطاقة الشمسية الموزعة، تقوم العديد من الأسر التي لديها أنظمة طاقة شمسية ببيع الطاقة الزائدة إلى الشبكة عبر المعتقلات المتصلة بالشبكة، مما يحقق تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه - استلام وإمداد الطاقة للشبكة.
من منظور الشبكة، مع دمج المزيد من المعكوفات المتصلة بالشبكة، تصبح مصادر الطاقة في الشبكة أكثر تنوعًا. ومع ذلك، هذا يضع أيضًا متطلبات جديدة على استقرار الشبكة ونوعية الطاقة.
التحكم والتكيف:حالياً، تعمل المعكوفات المتصلة بالشبكة بشكل أساسي في نمطين أساسيين للتحكم: التحكم بتيار الكهرباء والتحكم بجهد الكهرباء. في نمط التحكم بتيار الكهرباء، تهدف المعكوفة إلى التحكم في التيار الخارج ويجب أن تتكيّف مع التغيرات في جهد الشبكة ومتغيرات أخرى. على سبيل المثال، في الشبكات الضعيفة (عالية العدد، ضعيفة الإطار، منخفضة المقاومة للتقلبات الحادة)، يجب أن تكون للماكينة قدرة عالية على التكيف مع الشبكات ذات العدد العالي لتجنب ظاهرة الرنين التي قد تؤدي إلى تصاعد الأخطاء. تستخدم معكوفات الشركات المختلفة خوارزميات وآليات تحكم مختلفة لتكييفها مع تغييرات الشبكة، مثل خوارزميات التخميد النشط الذكي لتوجيه مشاكل الرنين في الشبكات الضعيفة، واستراتيجيات مثل التحكم المتكرر، ومعلمات PI الديناميكية، والقمع التوافقي المحدد، وتعويض الوقت الموت.
في نمط التحكم بجهد الكهرباء، تستهدف المعكوفة التحكم بالجهد، مما يجعل الخصائص الخارجية للماكينة المتصلة بالشبكة تبدو كمصدر جهد متحكم به، قادر على تقديم الدعم للجهد والتواتر. هذا مناسب بشكل خاص للاتصالات الشبكية ذات الاختراق العالي للطاقة المتجددة، مما يعني أن المعكوفة يمكنها، إلى حد ما، تنظيم جهد وتواتر الشبكة للحفاظ على التشغيل المستقر.
III. هل يمكن للمعتقلات المتصلة بالشبكة أن تعمل بدون الشبكة؟
في الظروف العادية، لا يُسمح بالعمل:وفقاً للمعايير ذات الصلة واللوائح الأمنية، تكون المعتقلات المتصلة بالشبكة عادة مجهزة بأجهزة منع التجزئة. عندما يكون الجهد الكهربائي للشبكة صفرًا، ستنقطع المعتقلة عن العمل. هذا لأن استمرار عمل المعتقلة خلال انقطاع التيار الكهربائي قد يشكل تهديدًا أمنيًا للعمال الفنيين. على سبيل المثال، إذا واصلت نظام الطاقة الشمسية إمداد الشبكة بالطاقة عبر المعتقلة أثناء انقطاع التيار الكهربائي، فقد يتسبب ذلك بسهولة في الصعق الكهربائي وغيرها من الحوادث الأمنية. لذا، تحدد المعايير الوطنية أن المعتقلات المتصلة بالشبكة يجب أن تكون مزودة بوظائف اكتشاف وتحكم في التجزئة وأن تتوقف عن العمل عند عدم توفر الشبكة.
العمل تحت التعديلات الخاصة:نظرًا للنظرية، من دون تعديل البرمجيات أو الأجهزة، يمكن استخدام المعتقل خارج الشبكة لـ "محاكاة" الشبكة، مما يجعل معتقل الطاقة الشمسية يعتقد أن الشبكة طبيعية، وبالتالي السماح له بتزويد هذه "الشبكة" بالطاقة. ومع ذلك، فإن هذا الأسلوب يحمل مخاطر ولا يتوافق مع متطلبات السلامة والتنظيم العادية. بالإضافة إلى ذلك، إذا تم تعديل المعتقل المتصل بالشبكة ليتمكن من العمل خارج الشبكة، مثل بعض المعتقلات الهجينة المتصلة بالشبكة وخارجها، فيمكنه التحويل إلى وضع خارج الشبكة عند انقطاع الشبكة. ومع ذلك، فهذا لم يعد وظيفة للمعتقل المتصل بالشبكة النقي ولكن نتيجةً للتصميم والتعديل الخاص.
IV. الشروط الأساسية لعمل المعتقل المتصل بالشبكة
الشروط التقنية:
التناسق في التردد: عادة ما يكون تردد الشبكة 50 هرتز أو 60 هرتز في معظم المناطق. يجب أن يتم تناسق تردد التيار المتردد الذي يخرجه المعكوس مع هذا التردد. يتم عادة تحقيق ذلك من خلال تقنيات مثل الدوائر ذات الحلقة المقفلة (PLLs) لضمان مطابقة تردد التيار المتردد للمعكوس مع تردد الشبكة، وإلا فلن يتمكن من العمل بشكل طبيعي.
التناسق في الطور: بالإضافة إلى تناسق التردد، يجب أن يتم تناسق الطور بين خرج التيار المتردد للمعكوس وفولتية الشبكة. يتم تحقيق التناسق في الطور من خلال التقنيات المرتبطة بالتحكم. فقط مع تناسق الطور يمكن دمج طاقة الخرج للمعكوس بسلاسة في الشبكة دون أن يسبب آثارًا سلبية مثل التقلبات في الطاقة وتدهور جودة الطاقة.
تطابق الجهد: يجب أن يتطابق جهد الخرج للمعكوس مع جهد الشبكة عند نقطة الاتصال. رغم أن المعكوسة عادة ما تكون مصممة لتكييف نفسها مع مستويات مختلفة من الجهد، إلا أنه يجب ضمان التشغيل ضمن حدود آمنة. إذا لم يكن الجهد متطابقاً، فقد يمنع نقل الطاقة بشكل طبيعي وقد يتسبب في تلف المعكوس أو معدات الشبكة.
حدود التوافقيات: خلال تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد، قد ينتج المعكوس توافقيات يمكن أن تؤثر على الشبكة، مثل إحداث تشوه في الجهد وتؤثر على التشغيل الطبيعي للمعدات الكهربائية الأخرى. لذلك، يجب أن يلتزم المعكوس بمعايير معينة لحدود التوافقيات لضمان جودة الطاقة. على سبيل المثال، يجب ألا يحتوي التيار الخرجي للمعكوس على مكون مستمر، ويجب تقليل التوافقيات المرتفعة في التيار الخرجي للمعكوس لتتجنب تلوث الشبكة.
تحكم في الطاقة الرديفة: يجب أن يكون المعكوس قادراً على التحكم في خرج الطاقة الرديفة لدعم استقرار جهد الشبكة. في الشبكات ذات النسبة العالية من مصادر الطاقة المتجددة، يعتبر التحكم في الطاقة الرديفة مهمًا بشكل خاص. من خلال التحكم في الطاقة الرديفة، يمكن تنظيم مستوى جهد الشبكة، مما يعزز استقرار الشبكة وجودة الطاقة.
حماية تأثير الجزيرة: عندما تكون الشبكة خارج الخدمة، يجب أن يفصل المعكوس بسرعة عن الشبكة لمنعه من تزويد الشبكة المنفصلة بالطاقة، وبالتالي حماية فنيي الصيانة. هذا هو أحد الوظائف الأساسية للسلامة للمعكوسات المتصلة بالشبكة.
شروط السلامة:
السلامة الكهربائية: يجب أن يتوافق المحوّل وتركيبه مع المعايير الكهربائية ذات الصلة بالسلامة، بما في ذلك العزل والحماية من الحمل الزائد والحماية من التفاف الدائرة. على سبيل المثال، يجب أن تكون أداء العزل الكهربائي للمحوّل جيدًا لمنع التسرب؛ وفي حالة حدوث الحمل الزائد أو التفاف الدائرة، يجب أن يقوم المحوّل بتفعيل الآليات الحمائية لمنع تلف المعدات والحرائق المحتملة.
تقييم الحماية: يحتاج المحوّل إلى تصنيف حماية معين لمقاومة العوامل البيئية مثل الغبار والرطوبة. عادة ما يتطلب المحوّلات الخارجية تصنيف حماية أعلى، مثل IP65. يضمن تقييم الحماية أن يمكن للمحوّل العمل بشكل طبيعي تحت ظروف بيئية مختلفة ويُمدّد عمره الخدمي.
القوانين والمعايير:
المعايير الوطنية والصناعة: يجب أن تتوافق المُعكِّسات المتصلة بالشبكة مع المعايير الوطنية والصناعة ذات الصلة، مثل معيار GB/T 37408 - 2019 الصيني، الذي يحدد المتطلبات الفنية للمُعكِّسات الشمسية المتصلة بالشبكة. تغطي هذه المعايير جوانب متعددة، بما في ذلك الأداء والأمان ونوعية الطاقة، مما يضمن أن المُعكِّسات تتوافق مع اللوائح عند التشغيل على الشبكة.
التراخيص والموافقات: قد تتطلب تركيب وتشغيل المُعكِّسات المتصلة بالشبكة الحصول على تراخيص وموافقات من قسم الكهرباء لضمان عدم التأثير السلبي على الشبكة. سيقوم قسم الكهرباء بمراجعة موقع تركيب المُعكِّس وسعته ومعلماته التقنية، وبعد الموافقة فقط يمكن ربط المُعكِّس بالشبكة.
العوامل الاقتصادية:
عائد الاستثمار (ROI): سيقوم المستخدمون أو الشركات التي تفكر في استخدام المحوّلات المتصلة بالشبكة بتقييم العائد على الاستثمار، بما في ذلك تكاليف الاستثمار الأولية، والتكاليف التشغيلية والصيانة، والأرباح المحتملة من بيع الكهرباء وسياسات الدعم. إذا كان العائد على الاستثمار غير ملائم، فقد يؤثر ذلك على الحماس لاستخدام المحوّلات المتصلة بالشبكة. على سبيل المثال، إذا كانت تكلفة الاستثمار الأولية عالية وكان سعر بيع الكهرباء منخفضًا بدون سياسات دعم كافية، فقد يردع المستثمرين.
سياسات الدعم: قد تختلف سياسات الدعم بين المناطق المختلفة، مما يمكن أن يؤثر على الجدوى الاقتصادية لمشاريع المحوّلات المتصلة بالشبكة. توفر بعض المناطق دعماً لتشجيع تطوير الطاقة المتجددة، بما في ذلك الدعم لشراء المحوّلات وتعريفات الشراء، مما يساعد على تحسين الفوائد الاقتصادية لمشاريع المحوّلات المتصلة بالشبكة.
توافق النظام:
توافق الشبكة: يجب أن يكون العاكس متوافقًا مع نظام الشبكة الحالي، بما في ذلك هيكل الشبكة وحجمها وخواص تشغيلها. تختلف شبكات الطاقة (مثل: أنظمة الطاقة TT و IT و TN) والأحجام (مثل: الشبكات ذات الجهد المنخفض والشبكات ذات الجهد العالي) في متطلبات العواكس، ويجب أن يكون العاكس قادرًا على التكيف مع هذه الاختلافات لتحقيق اتصال مستقر مع الشبكة.
توافق المعدات: يجب أن يكون العاكس متوافقًا بشكل جيد مع المعدات المتصلة لإنتاج الكهرباء (مثل: الألواح الشمسية، توربينات الرياح) لتحقيق تحويل فعال للطاقة. على سبيل المثال، يجب أن يتطابق قوة الإخراج والجهد الكهربائي للألواح الشمسية مع متطلبات الإدخال للعاكس لضمان كفاءة وأداء النظام الكلي لإنتاج الطاقة.
العوامل البيئية:
التكيف مع البيئة: يجب أن يكون المُحوّل قادرًا على التكيف مع ظروف البيئة في موقع التركيب، مثل درجة الحرارة والرطوبة، لضمان التشغيل المستقر طويل الأمد. على سبيل المثال، في البيئات ذات درجات الحرارة العالية، يجب أن يكون أداء تبديد الحرارة للمحوّل جيدًا لمنع الأضرار الناجمة عن الزيادة في الحرارة؛ وفي البيئات ذات الرطوبة العالية، يجب أن يمتلك المحوّل خصائص مقاومة للرطوبة لتجنب قصر الدائرة الداخلية.
التأثير على البيئة: يجب أن يأخذ تصميم وتشغيل المحوّل بعين الاعتبار تأثيره على البيئة، مثل الضوضاء والتشويش الكهرومغناطيسي. ينبغي بذل الجهود لتقليل الضوضاء التي تنتج أثناء تشغيل المحوّل لتجنب تلوث الضوضاء، ويجب السيطرة على التشويش الكهرومغناطيسي لمنع التداخل مع الأجهزة الإلكترونية الأخرى.
التشغيل والصيانة:
واجهة المستخدم: يجب أن توفر الوحدة العكسية واجهة مستخدم سهلة الاستخدام لمراقبة حالة النظام وإجراء الإعدادات اللازمة. على سبيل المثال، يمكن للمستخدمين عرض معلمات تشغيل الوحدة العكسية (مثل الجهد والتيار والقدرة) ومعلومات إنذار الأعطال من خلال الواجهة، وأداء الإعدادات الأساسية (مثل حدود القوة واختيار وضع التشغيل).
متطلبات الصيانة: يجب أن تأخذ صيانة الوحدة العكسية في الاعتبار سهولة الصيانة وتكلفة الصيانة ودورات الصيانة. الوحدة العكسية التي تكون سهلة الصيانة يمكن أن تقلل من تكاليف الصيانة والصعوبة، بينما يمكن أن يضمن دورة صيانة معقولة التشغيل المستقر طويل الأمد. على سبيل المثال، يجب تصميم الهيكل الداخلي للوحدة العكسية لتسهيل الفحص من قبل فنيي الصيانة، ويجب أن يكون عمر الخدمة وتكاليف استبدال مكوناتها معقولة.
V. دور الشبكة في عملية تشغيل الوحدة العكسية المتصلة بالشبكة
تقديم مرجع للتشغيل:تقدم الشبكة المعايير المرجعية لجهد الشبكة وتواترها وغيرها من المعلمات لتشغيل المحولات المتصلة بالشبكة. يجب على المحول تعديل خرجه بناءً على جهد وتواتر الشبكة لتلائم هذه المعلمات. على سبيل المثال، يستخدم المحول تقنيات مثل PLL لمزامنة تواتر وطور الخرج الكهربائي التيار المتردد مع الشبكة وتطابق الجهد، مما يضمن دمج الطاقة بشكل سلس في الشبكة. بدون توفير هذه المرجعيات من قبل الشبكة، لن يكون للمحول القدرة على ضبط خرجه بدقة، ولن يكون الاتصال العادي بالشبكة ممكنًا.
تمكين نقل وتوزيع الطاقة:توفر الشبكة منصة لنقل وتوزيع الطاقة من المحولات المتصلة بالشبكة. بعد أن يقوم المحول بإدخال الطاقة الكهربائية التيار المتردد التي تم توليدها بواسطة نظام الطاقة الشمسية الضوئية إلى الشبكة، يمكن للشبكة نقل هذه الطاقة إلى الأماكن التي تحتاج إليها، مما يحقق توزيعًا واسعًا. هذا يسمح بتدمج طاقة الطاقة الشمسية في النظام الكهربائي الأوسع، مما يوفر الكهرباء لعدد أكبر من المستخدمين. تؤثر نطاق وبنية الشبكة أيضًا على طرق اتصال المحول ومتطلبات التشغيل. على سبيل المثال، في شبكات ذات مستويات مختلفة من الجهد (مثل شبكات الجهد المنخفض والجهد العالي)، يجب على المحول استيفاء المعايير الفنية والتقنية المناسبة لضمان نقل الطاقة بأمان وكفاءة.
ضمان التشغيل المستقر:في الشبكة، يتم ربط العديد من أجهزة توليد وتوزيع الكهرباء معًا لتشكيل نظام كهربائي كبير. يمتلك هذا النظام درجة معينة من الاستقرار والثبات، مما يساعد في استقرار تشغيل المحوّلات المتصلة بالشبكة. على سبيل المثال، عندما تتقلب قوة الخرج لنظام الطاقة الشمسية، يمكن للشبكة موازنة هذه التقلبات من خلال آليات التنظيم الخاصة بها (مثل تعديل قوة الخرج لأجهزة التوليد الأخرى)، مما يقلل من التأثير على المحوّل. بالإضافة إلى ذلك، توفر الشبكة حماية من القصر الكهربائي وغيرها من ميزات الأمان. إذا حدث عطل بسبب القصر الكهربائي في خرج المحوّل، ستعمل أجهزة الحماية في الشبكة لمنع تفاقم العطل، مما يحمي المحوّل والأجهزة الأخرى.
